Tổng hợp bộ điều khiển cho đối tượng tích phân quán tính bậc hai

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN THỊ THANH THÚY TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO ĐỐI TƢỢNG TÍCH PHÂN – QUÁN TÍNH BẬC HAI LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 6052 0216 Thái Nguyên – 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN THỊ THANH THÚY TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO ĐỐI TƢỢNG TÍCH PHÂN – QUÁN TÍNH BẬC HAI Chuyên ngành: Tự động hóa Mã số: 6052 0216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KHOA ĐIỆNPHÒNG QL ĐTSĐH NGƢỜI HDKH Thái Nguyên - 2014 i Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, điều khiển quá trình là một lĩnh vực ứng dụng quan trọng của kỹ thuật điều khiển tự động trong các ngành công nghiệp năng lƣợng và hóa chất. Điều khiển quá trình không phải lĩnh vực mới nhƣng luôn chiếm hàng đầu trong tự động hóa công nghiệp. Nghiên cứu về điều khiển quá trình nhằm nắm bắt đƣợc những vấn đề chủ yếu sau: Tìm hiểu, phân tích yêu cầu điều khiển của các quá trình công nghệ; Đặt bài toán điều khiển cho từng yêu cầu cụ thể; Thiết kế sách lƣợc điều khiển phù hợp với yêu cầu và với mô hình quá trình; Chọn lựa giải pháp thiết bị đo, thiết bị chấp hành và thiết bị điều khiển. Nhằm nâng cao hơn nữa hiểu biết về điều khiển quá trình, tôi đã lựa chọn đề tài: Tổng hợp bộ điều khiển cho đối tƣợng tích phân - quán tính bậc hai. Trong quá trình thực hiện đề tài tôi đã nhận đƣợc sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy, cô giáo trong khoa Điện của trƣờng ĐH Kỹ thuật Công nghiệp thuộc ĐH Thái Nguyên và các bạn đồng nghiệp. Đặc biệt là dƣới sự hƣớng dẫn và góp ý của thầy PGS.TS. Nguyễn Nhƣ Hiển đã giúp cho đề tài hoàn thành mang tính khoa học cao. Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ quý báu của các thầy, cô. Do thời gian, kiến thức, kinh nghiệm và tài liệu tham khảo còn hạn chế nên đề tài khó tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến của các thầy, cô giáo và các bạn đồng nghiệp để tôi tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện hơn nữa trong quá trình công tác sau này. Học viên Nguyễn Thị Thanh Thúy ii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Nguyễn Thị Thanh Thúy Sinh ngày: 05/07/1987 Học viên lớp cao học khoá 14 - Tự động hoá - Trƣờng Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên. Hiện đang công tác tại: Công ty TNHH Công nghệ COSMOS tại Vĩnh Phúc. Tôi cam đoan toàn bộ nội dung trong luận văn do tôi làm theo định hƣớng của giáo viên hƣớng dẫn, không sao chép của ngƣời khác. Các phần trích lục các tài liệu tham khảo đã đƣợc chỉ ra trong luận văn. Nếu có gì sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm. Tác giả luận văn Nguyễn Thị Thanh Thúy iii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỤC LỤC Nội dung Trang Trang bìa phụ LỜI NÓI ĐẦU i LỜI CAM ĐOAN iii MỤC LỤC iv DANH MỤC KÝ HIỆU CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MUC CÁC HÌNH VẼ vii MỞ ĐẦU 1 1. Tính cấp thiết của luận văn 1 2. Mục tiêu của nghiên cứu 1 3. Kết quả thực nghiệm của luận văn 1 4. Nội dung của luận văn 1 CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH GIẢN ĐỒ CÔNG NGHỆ CHO ĐỐI TƢỢNGTÍCH PHÂN QUÁN TÍNH BẬC HAI 3 1.1. Giới thiệu chung 3 1.1.1. Các khái niệm cơ bản 4 1.1.2. Mục đích và yêu cầu của điều khiển quá trình 7 1.2. Các thành phần cơ bản của hệ thống ĐKQT 10 1.2.1. Cấu trúc cơ bản của một HT ĐKQT 10 1.2.2. Các thành phần cơ bản của hệ điều khiển quá trình 11 1.3. Vai trò của bình mức chứa và cấp chất lỏng trong điều khiển quá trình 15 1.4. Mục tiêu của nghiên cứu: 18 1.5. Dự kiến các kết quả đạt đƣợc 18 1.6. Kết luận chƣơng 1 18 iv Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ CHƢƠNG 2:MÔ TẢ TOÁN HỌCCHO ĐỐI TƢỢNG TÍCH PHÂN QUÁN TÍNH BẬC HAI 19 2.1. Khái quát chung 19 2.2. Mô tả toán học cho các thành phần trong hệ thống điều khiển quá trình 21 2.2.1. Cấu trúc một hệ điều khiển quá trình 21 2.2.2.Thiết bị đo 21 2.2.3. Thiết bị chấp hành 24 2.2.4. Hàm truyền của mô hình 28 2.3. Hàm truyền của hệ thống 36 2.4. Kết luận: 36 CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỨCĐỐI TƢỢNG TÍCH PHÂNQUÁN TÍNH BẬC HAI 37 3.1. Giới thiệu chung 37 3.1.1. Bộ điều khiển PID 37 3.1.2. Chọn luật điều khiển PID: 40 3.2. Phƣơng pháp tối ƣu đối xứng 41 3.3. Thiết kế điều khiển mức cho lò hơi 43 3.4. Kết luận chƣơng 3 45 CHƢƠNG 4: ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG BẰNG MÔ PHỎNG MATLAB – SIMULINK VÀ THỰC NGHIỆM 46 4.1. Sơ đồ cấu trúc điều khiển cho đối tƣợng tích phân quán tính bậc hai 46 4.2. Đánh giá chất lƣợng hệ thống bằng mô phỏng trên Matlab – Simulink 46 4.2.1. Cấu trúc mô phỏng: 46 4.2.2. Các kết quả mô phỏng: 47 4.3. Đánh giá chất lƣợng hệ thống bằng thực nghiệm 47 v Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 4.3.1. Cấu hình thực nghiệm về điều khiển mức tại trung tâm thí nghiệm: 47 4.3.2. Giới thiệu về mô hình thực nghiệm: 49 4.3.3. Các kết quả thực nghiệm: 53 4.3.4. So sánh với kết quả mô phỏng: 53 4.4. Kết luận chƣơng 4 54 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 55 1. Kết luận: 55 2. Kiến nghị: 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 vi Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT KÝ HIỆU Ý NGHĨA CV Biến cần điều khiển SP Giá trị đặt MV Biến điều khiển ĐKQT Điều khiển quá trình HTĐKQT Hệ thống điều khiển quá trình PID Bộ điều khiển tỷ lệ, tích phân, vi phân PLC/DCS Bộ điều khiển logic mờ/ Bộ điều khiển phân tán CPU Khối xử lý trung tâm PS Khối nguồn DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Tên các hình vẽ Trang Hình 1.1: Quá loại trình và phân biến quá trình 5 Hình 1.2: Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình 11 Hình 1.3: Sơ đồ khối một vòng của hệ thống điều khiển quá trình 11 12 Hình 1.5: Cấu trúc cơ bản của các bộ điều khiển phản hồi 13 14 Hình 1.7: Mô hình tháp chƣng cất hai thành phần 16 Hình 1.8: Bình chứa chất lỏng và các biến quá trình 17 Hình 2.1: Sơ đồ khối một vòng của hệ thống điều khiển quá trình 21 22 Hình 2.3: Một số hình ảnh thiết bị đo công nghiệp 23 vii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 2.4: Cấu trúc cơ bản của thiết bị chấp hành 25 25 ều khiển 27 Hình 2.7: Sơ đồ khối lò hơi nhà máy nhiệt điện 30 Hình 2.8: Đặc tính động của mức nƣớc bao hơi khi thay đổi lƣu lƣợng nƣớc cấp 32 Hình 2.9: Đặc tính động của mức nƣớcbao hơi theo lƣu lƣợng nƣớc cấp 33 Hình 3.1: Bộ điều khiển theo quy luật PID 37 Hình 3.2: Minh hoạ tƣ tƣởng thiết kế bộ điều khiển PID tối ƣu đối xứng 41 Hình 3.3: Minh hoạ tƣ tƣởng thiết kế bộ điều khiển PID tối ƣu đối xứng 43 Hình 3.4: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển đối tƣợng tích phân quán tính bậc hai 43 Hình 4.1: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển đối tƣợng tích phân quán tính bậc hai 46 Hình 4.2: Cấu trúc mô phỏng hệ thống điều khiển đối tƣợng tích phân quán tính bậc hai 47 Hình 4.3: Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển đối tƣợng tích phân quán tính bậc hai 47 Hình 4.4: Mô hình hệ thống điều khiển đối tƣợng tích phân quán tính bậc hai 48 Hình 4.5: Giao diện hệ thống điều khiển đối tƣợng tích phân quán tính bậc hai 48 Hình 4.6: Giao diện kết quả hệ thống điều khiển đối tƣợng tích phân quán tính bậc hai 49 Hình 4.7: Kết quả hệ thống điều khiển đối tƣợng tích phân quán tính bậc hai 53 1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài luận văn Các chi tiết cơ khí đƣợc hình thành sau khi qua các nguyên công thì cần thiết phải qua nhiệt luyện tăng bền bề mặt và mạ điện để bảo vệ bề mặt đồng thời tăng độ thẩm mỹ công nghiệp,…trong một dây chuyền mạ điện, dung dịch mạ điện ngoài đảm bảo mức trong bể chứa còn duy trì nhiệt độ của dung dịch. Số lƣợng các bình chứa dung dịch trung gian đƣợc sử dụng rất nhiều. . Nhƣ v . Là học viên cao học K14TĐH và đồng thời là cán bộ thuộc công ty TNHH Công nghệ COSMOS tại khu công nghiệp Khai Quang thành phố Vĩnh Yên, tỉnh Vĩnh Phúc: Chuyên sản xuất linh kiện xe máy (hiện tại đang phải thuê mạ điện bên ngoài), chủ trƣơng sắp tới sẽ lắp đặt thêm dây chuyền mạ. Tôi nhận thấy rằng, trong dây chuyền mới này có ứng dụng lý thuyết điều khiển quá trình trong nhiều công đoạn sản xuất. Về mặt mô hình hóa bằng lý thuyết hay còn gọi là mô tả toán học thì các bể mạ trong dây chuyền đƣợc gọi là các khâu tích phân quán tính bậc hai.Tổng hợp bộ điều khiển cho đối tƣợng tích phân – quán tính bậc hai là bể dung dịch mạ ức và nhiệt độ dung dịch cho toàn bộ dây chuyền hoạt động đó là nội dung cấp thiết của đề tài. Chính từ yêu cầu phục vụ sản xuất của cơ quan, tôi đã lựa chọn đề tài:”Tổng hợp bộ điều khiển cho đối tƣợng tích phân - quán tính bậc hai”. 2. Mục tiêu của nghiên cứu - Từ cấu hình thực tế của một bể dung dịch trong dây chuyền, đƣợc mô hình hóa thành đối tƣợng tích phân - quán tính bậc hai, trên cơ sở đó lập đƣợc [...]... phân quán tính bậc hai; Chương 2: Mô tả toán học cho đối tƣợng tích phân quán tính bậc hai; Chương 3: Thiết kế điều khiểncho đối tƣợng tích phân quán tính bậc hai; Chương 4: Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho đối tƣợng tích phân quán tính bậc hai Kết luận và kiến nghị Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 3 CHƢƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH VÀ GIẢN ĐỒ CÔNG NGHỆ CHO ĐỐI... cho bình đƣợc sử dụng laoị đóng mở bằng nam châm điện từ Từ đây có thể xác định đƣợc biến quá trình nhƣ hình 1.8b Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 18 1.4 Mục tiêu của nghiên cứu: Tổng hợp bộ điều khiển cho đối tƣợng tích phân – quán tính bậc hai có cấ trình công nghệ tiếp theo 1.5 Dự kiến các kết quả đạt đƣợc Lập cấu trúc điều khiển cho đối tƣợng tích phân - quán tính bậc hait,... trúc cơ bản của các bộ điều khiển phản hồi Trên cơ sở sử dụng các tín hiệu đo và một cấu trúc điều khiển/ sách lƣợc điều khiển đƣợc lựa chọn, bộ điều khiển thực hiện thuật toán điều khiển và đƣa ra các tín hiệu điều khiển để can thiệp trở lại quá trình kỹ thuật thông qua các thiết bị chấp hành Tuỳ theo dạng tín hiệu vào ra và phƣơng pháp thể hiện luật điều khiển, một thiết bị điều khiển có thể đƣợc xếp... bị điều khiển số thực chất là một máy tính số đƣợc trang bị các thiết bị ngoại vi để thực hiện chức năng điều khiển Vì vậy khi ta nói tới máy tính điều khiển tức là chỉ bao hàm khối xử lý trung tâm (CPU), Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 14 khối nguồn (PS) và các thành phần tích hợp trên bo mạch Còn các khái niệm thiết bị điều khiển hoặc trạm điều khiển bao hàm cả máy tính điều. .. GIẢN ĐỒ CÔNG NGHỆ CHO ĐỐI TƢỢNG TÍCH PHÂN QUÁN TÍNH BẬC HAI Ngày nay, điều khiển quá trình là một lĩnh vực ứng dụng quan trọng của kỹ thuật điều khiển tự động trong các ngành công nghiệp năng lƣợng và hóa chất Điều khiển quá trình không phải lĩnh vực mới nhƣng luôn chiếm hàng đầu trong tự động hóa công nghiệp 1.1 Giới thiệu chung Điều khiển quá trình là sự thao tác những điều kiện của quá trình để làm... tƣơng tự và tích hợp các phần chuyển đổi tƣơng tự-số cần thiết, tuy nhiên thuật toán điều khiển bao giờ cũng đƣợc thực hiện bằng máy tính số Một thiết bị điều khiển số không những cho chất lƣợng và độ tin cậy cao hơn, mà còn có thể đảm nhiệm nhiều chức năng điều khiển, tính toán và hiển thị cùng một lúc Có thể nói rằng, tất cả các giải pháp điều khiển hiện đại (PLC, DCS, ) đều là các hệ điều khiển số... toán và đi đến xây dựng một giải pháp điều khiển cũng bắt đầu với việc tiến hành phân tích và cụ thể hoá các mục đích điều khiển Phân tích mục đích điều khiển là cơ sở quan trọng cho việc đặc tả các chức năng cần thực hiện của hệ thống điều khiển quá trình Toàn bộ các chức năng của một hệ thống điều khiển quá trình có thể phân loại và xắp xếp nhằm phục vụ năm mục đích cơ bản sau đây: - Trong Số hóa... bị điều khiển và bộ điều khiển trong thực tế đƣợc sử dụng với nghĩa tƣơng đồng, ở đây ta cũng cần làm rõ PID PLC/DCS) hoặc PLC/DCS) Trong phạm vi chƣơng trình, khi nói về giải pháp hệ thống thì “thiết bị điều khiển và bộ điều khiển đƣợc hiểu với nghĩa tƣơng đƣơng, còn khi đề cập tới các vấn đề thuộc sách lƣợc điều khiển hay thuật toán điều khiển ta sẽ chỉ sử dụng bộ điều khiển Số hóa bởi Trung... cấu trúc điều khiển - Lựa chọn bộ điều khiển và xác định các tham số cho bộ điều khiển - Phân tích và kiểm chứng các kết quả thiết kế - Mô phỏng trên máy tính phục vụ đào tạo vận hành Xác định rõ mục đích sử dụng của mô hình là một việc hết sức cần thiết, bởi mục đích sử dụng quyết định tới việc lựa chọn phƣơng pháp mô hình hoá cũng nh 2.2 Mô tả toán học cho các thành phần trong hệ thống điều khiển quá... vi phân (khả năng biểu diễn mạnh, với mô hình bậc cao thì khó sử dụng cho phân tích thiết kế hệ thống), phƣơng trình đại số, hàm truyền đạt, phƣơng trình trạng thái (áp dụng thống nhất cho phân tích, thiết kế hệ đơn biến và đa biến, khó tiến hành nhận dạng trực tiếp, nhạy cảm với sai lệch thông số, ít dùng cho điều khiển quá trình) Mô hình toán học thích hợp cho mục đích nghiên cứu sâu sắc các đặc tính . nghệ cho đối tƣợng tích phân quán tính bậc hai; Chương 2: Mô tả toán học cho đối tƣợng tích phân quán tính bậc hai; Chương 3: Thiết kế điều khiểncho đối tƣợng tích phân quán tính bậc hai; . phân quán tính bậc hai 48 Hình 4.5: Giao diện hệ thống điều khiển đối tƣợng tích phân quán tính bậc hai 48 Hình 4.6: Giao diện kết quả hệ thống điều khiển đối tƣợng tích phân quán tính bậc. khiển đối tƣợng tích phân quán tính bậc hai 47 Hình 4.3: Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển đối tƣợng tích phân quán tính bậc hai 47 Hình 4.4: Mô hình hệ thống điều khiển đối tƣợng tích phân